數字化監控技術在機場場道工程中的應用研究

曹富貴

【摘要】機場場道施工的重點是處理好土基、墊層、基層的密實度，要求達到足夠的穩定性、承載力以及剛度，然后在其基礎之上再去澆筑水泥混凝土層。傳統技術模式下，主要采用人工布點和專業設備檢測的方式獲取各層的壓實度參數，但是其效率非常低下，還容易產生遺漏。本文主要研究利用數字化監控技術，實現實時監控機場場道壓實效果的策略。

【關鍵詞】數字化監控技術;機場場道工程;應用

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.33.067

道面基礎的夯實效果對機場場道工程的施工質量產生著非常深遠的影響，在工程實踐中使用振動碾壓機等設備來夯實基層，但是為了提高質量，必須檢測基層的壓實度、體積穩定性以及其他一些重要的參數。利用數字監控技術可在碾壓設備作業的過程中檢測到這些數據，比人工檢測的方式更加準確、嚴密和高效。

1、機場場道工程施工特點

1.1機場場道

第一，等級劃分。機場中服務的飛機具有多種類型，干線飛機的長度、翼展以及載客數量都比支線客機大得多，所以機場場道在設計規格上存在一定的差異，民航工程中將飛行區指標劃分成兩個等級，分別為Ⅰ級和Ⅱ級，并且這兩個等級又按照不同的指標細分成不同的類別。例如，在指示區Ⅱ中根據主起落架最外側間距或者飛機的翼展寬度劃分為A、B、C、D、E、F 這6種類別。第二，機場跑道的結構特點。跑道具有對稱性，主體結構為道面，采用水泥混凝土澆筑而成，其厚度可根據機場飛機服務能力來確定，一般可達到420mm，與道面臨近的部分是道肩，其澆筑厚度比道面略薄，一般在200mm之內，具體要根據工程項目特點來確定，最外層的是土面區[1]。

1.2機場場道工程的地質要求

機場場道用于各型飛機的起降，其性能和質量要求都非常高。場道按照結構特點可分為土基、墊層、基層以及水泥混凝土層，其中任何一個構成部分都會影響到場道的承載能力。表面上看，水泥混凝土層是最主要的承力層，但力的作用可傳遞到更下層的基層和土層，如果下層基土夯實不到位，道面也會因為承載力不足而出現嚴重的損壞[2]。因此，在《民用機場水泥混凝土道面設計規范》中對這些關鍵的組成部分提出了嚴格的技術要求。

第一，土基的要求。機場場道的施工范圍比較大，一條跑道的長度可達到上千米，在具體施工的過程中難免會遭遇一些不良的地質條件，因此，在工程勘察階段必須嚴格檢查是否存在膨脹土、軟土層等不良的土壤地質條件，同時還要預防地下水以及地表水的影響。

第二，道床填料要求。按照機場跑道的設計特點，道床是道面和道肩下方的主要承力層，道床的填筑、夯實效果對機場跑道的性能具有深遠的影響。在工程規范中要求道床填料的粒徑范圍必須控制在20cm以下，含水量大的黏土、高液限粉土等都不能用于填筑機場跑道的道床。在工程實踐中大多采用水泥穩定碎石來處理。

第三，墊層。墊層處于土基之上，同時位于基層之下，其主要作用是降低不良土基對機場場道工程的影響，主要原因在于機場的土基范圍比較大，有些不良土壤層的處理難度非常大，處理成本也很高，此時可直接在這些不良土壤之上鋪設墊層，一般將碎礫石、粗砂、粉煤灰或者粉碎后的建筑工程材料混合在一起，形成墊層，其作用也非常重要，在寒冷的地區可起到抗凍的效果，同時由于墊層使用的材料具有一定的孔隙，其防水效果也很突出，當降雨量比較大時可直接通過墊層實現快速的排水，將雨水下滲到土壤中[3]。

第四，基層。在水泥混凝土層之下就是基層，跑道上的載荷通過混凝土層直接傳遞到了基層，因而基層的性能必須非常突出，良好的剛度、強度以及抗剪能力將會提升基層的性能，并且在冬季低溫條件下不得出現冰凍、膨脹之類的問題，否則水泥混凝土層下方將會受到比較嚴重的應力作用。另外，不同的飛行區指標對基層的厚度提出了不同的要求。表1中列舉了基層厚度的具體指標（以飛行區指標等級Ⅱ為例），數據來自民航工程機場跑道的建設規范。基層的具體壓實度與其施工材料之間具有密切的聯系，采用礫石作為基層的主要材料時，其壓實度不得低于96%（A、B）和98%（C、D、E、F）。如果基層的填料為粉煤灰和石灰的細粒土構成，那么以上的壓實度分別控制為不低于93%和96%[4]。

第五，水泥混凝土面層。道面和道肩都采用現澆混凝土的技術來施工，根據機場跑道所在地區的年最低氣溫可將其混凝土材料的標號控制為F200以上和F300以上，前者對應的溫度范圍是0到零下10攝氏度，后者對應的溫度范圍是零下10攝氏度以下。混凝土層在具體施工時要注意控制好面層的平整度，并且要具備足夠的耐磨性和防滑性。（詳見表1）

2、數字化監控技術在機場場道施工中的應用場景

從場道工程的施工特點可知主要的工程活動在于處理好土基、墊層、基層，排除不良的地質條件，為后續的水泥混凝土層施工打好基礎。以下重點從場道的壓實處理來分析數字化技術的具體應用方法。

2.1數字化監控技術的主要用途和優勢

第一，傳統壓實方法存在的弊端。在機場場道的壓實處理中，傳統技術主要在整個作業場地上設置一系列檢測點，然后在壓實處理結束之后，再以人工檢測的方式逐一去測量每一個點位的具體壓實度，顯然這種方法應用了數學中的統計學原理。當大量的檢測點滿足技術要求之后，即可判斷壓實度滿足了工程設計需求。但是，從理論上講，這種方法必然存在一定的漏洞，主要缺陷在于采樣點并不能完全反映出每一個點位的具體壓實度，而且這種測量方式的效率也非常低下，難以滿足大范圍施工。尤其在當前的信息化時代，非常不利于提高工程效率[5]。另外，這種處理方法是在整體壓實結束之后才開展的，是一種典型的事后控制方法。

第二，基于數字化技術的連續過程壓實監控技術。西方發達國家在20世紀后期設計了一種可用于監控連續壓實質量的信息化系統，主要用在公路工程、鐵路工程的地基處理，后來將其擴展到民航工程建設中，實際上工程原理都非常相似，只不過發揮作用的場景發生了變化。這種技術被稱為CPMS。其工作原理如下：施工區域內的地質條件基本上比較接近，并且基層以及墊層都采用相同的填料來鋪筑，碾壓時使用傳統的振動壓路機，在碾壓過程中不斷向基層產生一定強度的作用力，同時基層也會產生一定的反作用力，而這些力的作用都可借助專業的傳感器來測量，這樣就可實現對振動碾壓過程的有效監控。因此，在具體應用時要在振動碾壓機械設備上布置一定數量的傳感器，進而建立起相關的力學模型。力的測量主要圍繞壓路機上的振動輪，這種技術的具體實現原理可參考圖1。

第三，基于CPMS的信息化監測技術的優點。使用了CPMS技術之后，機場跑道壓實施工的監控程度實現了大幅度的改善。1）過程實現可控。由于使用了精確的傳感器測量振動輪和土壤的反作用力，精度上非常高，壓實程度和力的大小具有直接關系。除了關注壓實度之外，還會非常重視壓實的均勻性，如果不同的施工位置在壓實度上產生了顯著的差異，那么后續的混凝土墊層澆筑施工也會受到嚴重的干擾，后期運維階段會出現不均勻沉降的風險。另外，壓實的穩定性也是重要的監控參數之一，這一點主要通過基層的反作用力來判斷，初期階段，基層的反作用力比較明顯，但是隨著其不斷壓實，幾乎不會在反彈，也就不會產生明顯的反作用力，達到足夠的穩定性。2）效率大幅提升。由于這種壓實監控技術會跟隨振動壓路機的運行而實時進行，檢測到的參數會及時存儲在數據庫中，幾乎在碾壓結束時就已經完成了壓實度的檢測，并且在具體實施的過程中就可判斷上一階段的碾壓效果是否達標，此時可借助這些參數實時調整后續的壓實操作。顯然，相對于傳統的人工檢測方式，其效率早已大幅度提升。（詳見圖1）

2.2數字化監控技術的具體應用方法

第一，確定關鍵參數。CPMS是一種有效的壓實質量監控措施，但是在分析具體的壓實效果時，該方法非常依賴于幾個關鍵的參數，其一是參數k，涵義為常規控制指標，其二為VCV，涵義為連續壓實控制指標，其三為ε，其含義為相關系數。但是這三個參數并非常數，而是和地質條件息息相關，在碾壓的準備階段要通過對比試驗，測定這些參數值。工程實踐中要求相關系數ε的數值不低于0.7[6]。第二，建立參數之間的關系。在工程實踐中，根據試驗確定出現場壓實系數K，這一參數作為常規質量控制指標，然后利用測量所得的其他數據，繪制直角坐標圖，橫坐標為常規控制指標K，縱坐標為VCV，通過點的分布觀察整個數據的斜率，這一參數就是ε。第三，質量控制。通過實際的檢測數據獲取K、VCV以及ε之后，即可根據這些參數開展進一步的判斷，研判連續壓實的均勻性、穩定性等是否達到了相關的技術要求。這種基于大范圍、連續作業所形成的數據極大地提升了機場場道壓實度監控的信息化水平。

結語：

數字化監控技術利用先進的傳感器和計算機平臺獲取機場場道基層的壓實數據，這種基于信息化的技術顯著地提高了質量控制的效率和精度，其中比較典型的方法為CPMS，將傳感器布置在振動碾壓設備上，根據振動輪的受力特點來判斷壓實度、穩定性等參數。

參考文獻：

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